全釩液流電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬及在高性能電堆設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究.pdf

1、博士學(xué)位論文全釩液流電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬及在高性能電堆設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究ResearChOntheStructureDeSignandNumeriCalSimuIatiOn0fVanadiumFIOwBatterieSaIOngwiththeAppIicationsinHighPerfOrmanceStackDesign作者姓名：鄭瓊學(xué)號(hào)：11207105指導(dǎo)教師：張華民研究員寧桂玲教授丁任對(duì)獄便學(xué)科、專業(yè)：化學(xué)工程與技術(shù)答辯日期：20

2、15年10月19日大連理工大學(xué)DalianUIliversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，是推進(jìn)全釩液流電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的關(guān)鍵。優(yōu)化電池電堆結(jié)構(gòu)是高電流密度下減小濃差極化、提高濃差極化均勻性，進(jìn)而降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)可靠性的有效途徑。將數(shù)值模擬計(jì)算分析和電池性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，可以有效地指導(dǎo)電池電堆結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與創(chuàng)新。目前相關(guān)研究主要集中在采用單一流動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型模擬指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)

3、計(jì)，可以降低濃差極化，提高其分布均勻性，但缺乏有力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；實(shí)際上，全釩液流電池是一個(gè)涉及多物理場(chǎng)耦合過程的反應(yīng)器，需要建立科學(xué)可靠的多物理場(chǎng)耦合微觀模型準(zhǔn)確模擬電解液流動(dòng)、傳質(zhì)、傳熱等過程；在掌握濃差極化調(diào)控機(jī)制的基礎(chǔ)上，結(jié)合可靠的電池性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出科學(xué)有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略及方法，實(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用價(jià)值。鑒于此，本論文開展了以下工作：通過充放電性能測(cè)試、極化曲線測(cè)試方法對(duì)液流電池性能評(píng)價(jià)的一致性與差異的比較，確立了充放電性能測(cè)試方

4、法是科學(xué)有效的液流電池性能評(píng)價(jià)方法。在現(xiàn)有的二維半電池等溫模型基礎(chǔ)上，加入能量守恒方程，建立了多物理場(chǎng)耦合的三維非等溫全電池模型；通過數(shù)值模擬，考察了電池內(nèi)熱量傳遞與溫度分布特性，提出了調(diào)控負(fù)極在放電過程中的溫度均勻性是關(guān)鍵，合理地降低電極孔隙率或增加電解液流量可以提高溫度分布均勻性的溫度控制策略。以液相傳質(zhì)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確立了改善濃差極化的調(diào)控策略：在不增加流動(dòng)阻力的前提下，短流程平推流電池結(jié)構(gòu)可以顯著提高電解液

5、的流動(dòng)均勻性，可以在提高濃差極化分布均勻性的同時(shí)降低濃差極化。建立了以數(shù)值模擬計(jì)算與電池性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合、以濃差極化調(diào)控策略為指導(dǎo)的電池電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，成功地設(shè)計(jì)并組裝了2kW級(jí)和30kW級(jí)高性能液流電池電堆，其中2kW級(jí)電池電堆在保持能量效率不低于80％的條件下，工作電流密度由80InAcm。2提高至160mAcm2，電解液利用率超過55％；30kW級(jí)電堆在130mAcm。2的工作電流密度下能量效率為808％，電解液利用率為531

6、％，大幅度提高了電堆的功率密度，降低了材料使用量，從而降低了系統(tǒng)成本。驗(yàn)證了所建電池電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略的可行性與有效性，實(shí)現(xiàn)了電池電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工程中的應(yīng)用價(jià)值。在方形平推流液流電池結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了環(huán)形液流電池結(jié)構(gòu)，充放電性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)形液流電池有效地改善了液相傳質(zhì)，降低了濃差極化，其性能優(yōu)勢(shì)在高工作電流密度或充放電末期更加顯著。這為進(jìn)一步提高電池性能、降低系統(tǒng)成本提供了有效指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：全釩液流電池；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化；濃